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近日，華南師范大學化學學院教授劉江/蘭亞乾團隊在光催化領域取得重要研究進展，設計構(gòu)建了兩例多功能性團簇催化劑，并開發(fā)三串聯(lián)系統(tǒng)用于低選擇性二氧化碳（CO₂）還原產(chǎn)物的升級和分離。相關成果發(fā)表于《自然-合成》。NQt即熱新聞——關注每天科技社會生活新變化gihot.com

太陽能驅(qū)動的二氧化碳還原反應（CO₂RR）可直接將CO₂轉(zhuǎn)化為有用的化學物質(zhì)，已成為一種前景廣闊的二氧化碳循環(huán)利用技術。其中，析氫反應（HER）作為一種常見的副反應，它不僅進一步降低了CO₂光還原的產(chǎn)物選擇性；同時，導致產(chǎn)生的氫氣（H₂）、碳基還原氣態(tài)產(chǎn)物以及未轉(zhuǎn)化CO₂混合，在進一步利用之前必須先經(jīng)過復雜而昂貴的分離程序。雖然某些特定比例的CO和H₂混合物可作為合成氣進行工業(yè)轉(zhuǎn)化，但在低選擇性CO₂光還原系統(tǒng)中，低濃度的CO、H₂和剩余未轉(zhuǎn)化CO₂的混合并不適合費托合成。因此，將CO₂光還原為合成氣進行轉(zhuǎn)化僅作為一項概念性工作提出，但目前并未實現(xiàn)。NQt即熱新聞——關注每天科技社會生活新變化gihot.com

基于此，蘭亞乾團隊設計并構(gòu)建了兩例高活性的多功能性團簇基催化劑，分別由具有還原活性的Ni基團簇和快速電子轉(zhuǎn)移能力的W₁₀多金屬鹽酸鹽組裝形成（Ni₅W₁₀和Ni₆W₁₀）。通過這兩種催化劑引發(fā)了由低選擇性CO₂光還原反應、炔烴半氫化反應和羰基化反應組成的高效三串聯(lián)系統(tǒng)，可以將H₂和CO混合還原產(chǎn)物依次分轉(zhuǎn)化并分離為高價值的烯烴和羰基化合物，還原產(chǎn)物的原子利用效率最高可達94%。NQt即熱新聞——關注每天科技社會生活新變化gihot.com

其中，低選擇性CO₂光還原反應與炔烴半加氫的原位一鍋法耦合，可以極大地提高催化反應整體光轉(zhuǎn)化效率（從935 μmol g^-1h^-1提高至1425.0 μmol g^-1h^-1）、CO選擇性（從50%提高到80.0%）和炔烴到烯烴的轉(zhuǎn)化率（Conv. > 86.0%, Sel. ≈100.0%）。更重要的是，相比于具有傳統(tǒng)獨立活性位點的Ni₅W₁₀在半加氫反應中經(jīng)歷的Volmer-Heyrovsky反應路徑，具有協(xié)同活性區(qū)域的Ni₆W₁₀可通過Volmer-Tafel機理降低加氫過程的能壘，且利用*H的Tafel機制更加有利于串聯(lián)反應對CO選擇性的提高并獲得更出色的串聯(lián)催化性能。NQt即熱新聞——關注每天科技社會生活新變化gihot.com

總之，三串聯(lián)系統(tǒng)不僅能抑制H₂副產(chǎn)物的生成，可控控制光催化CO₂RR的選擇性，并且可以將低價值的H₂和CO依次升值和分離。同時，通過三重串聯(lián)反應，可方便地合成¹³C標記的抗抑郁藥物分子和氘代烯烴化合物。這種高原子利用率的串聯(lián)系統(tǒng)為未來低選擇性光催化CO₂RR的實際應用提供了廣闊的前景。NQt即熱新聞——關注每天科技社會生活新變化gihot.com

相關論文信息：https://doi.org/10.1038/s44160-023-00458-5NQt即熱新聞——關注每天科技社會生活新變化gihot.com